合金鋁產(chǎn)業(yè)基地廠址防洪工程設(shè)計綜述

王 卓

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，山西 太原 030024）

1 項(xiàng)目概況

山西中鋁華潤有限公司2×50萬t合金鋁項(xiàng)目，位于呂梁市興縣瓦塘鎮(zhèn)山西華興鋁業(yè)有限公司南側(cè)的低山丘陵上。距省道S 218約1.5 km，距興縣縣城約25 km。項(xiàng)目工程區(qū)位于瓦塘鎮(zhèn)劉家溝和大石溝之間的山脊上，采取平山填溝造地建設(shè)廠區(qū)，廠坪高程為986.0 m。

工程建設(shè)產(chǎn)生的大量棄土填筑于廠區(qū)周邊的溝道內(nèi)，阻塞行洪通道，改變滲流路徑，會誘發(fā)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅著項(xiàng)目區(qū)及下游地區(qū)的交通設(shè)施、工礦企業(yè)和居民生命、財產(chǎn)安全。如何采取合理有效的安全防護(hù)措施，以避免災(zāi)害事故的發(fā)生，保障項(xiàng)目區(qū)及下游地區(qū)人民群眾生命及財產(chǎn)安全，是迫切需要解決的問題。

2 水文地質(zhì)概況

2.1 水文

項(xiàng)目工程區(qū)內(nèi)的劉家溝、大石溝均是嵐漪河的支溝。嵐漪河是黃河的一級支流，發(fā)源于嵐縣鹿徑嶺西的飲馬池山，流經(jīng)嵐縣河口鄉(xiāng)，岢嵐城、溫泉鄉(xiāng)，興縣青草溝、魏家灘、瓦塘，于裴家川口匯入黃河，河流全長120 km，流域面積2 167 km2。

劉家溝為嵐漪河的一級支溝，集水面積4.88 km2，河長4.70 km，本項(xiàng)目區(qū)位于劉家溝下游，廠址下游斷面以上流域面積3.90 km2，河長4.50 km，比降27.8‰。

2.2 水文地質(zhì)

劉家溝地下水主要出露于卵石層頂部、底部或溝底卵石沖積物中，為卵石層中局部鈣質(zhì)膠結(jié)層和卵石層底普遍粉質(zhì)黏土阻水形成，分布極不均勻，地下水出露點(diǎn)季節(jié)性變化較大，雨后出水點(diǎn)增多、水量略增，枯季斷流。

2.3 洪水

劉家溝廠址下游控制斷面以上主要有9條支溝，由于面積較小，采用經(jīng)驗(yàn)公式法進(jìn)行計算洪峰流量，計算結(jié)果見表1。

表1 支溝洪峰計算成果表

根據(jù)《山西省暴雨洪水實(shí)用手冊》，暴雨計算結(jié)果，采用流域模型法計算廠址下游控制斷面洪峰流量為80.2 m3/s。

3 廠址防洪工程設(shè)計

3.1 防洪標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50201-2014）、《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2017）規(guī)范規(guī)定，該工程等別為Ⅱ等，設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇設(shè)計洪水（P=1%），主要建筑物為2級。

3.2 工程布置

3.2.1 棄土場布置

平山、填溝、造地、建設(shè)廠區(qū)，產(chǎn)生的大量棄土填于場區(qū)東側(cè)劉家溝和周邊的支溝內(nèi)，基于消化土方，考慮行洪、交通等因素，劉家溝棄土場設(shè)計為“兩平臺一坡一壩”型式，即974 m平臺、940 m平臺、平臺間1/5陡坡和廠址下游處擋土壩。

3.2.2 防洪工程布置

防洪工程布置為地下排水盲溝和地表排洪渠。

地下排水盲溝布置于棄土場底部，收集劉家溝溝底出漏滲水，通過在溝底鋪設(shè)連續(xù)的濾料通道，將主支溝內(nèi)滲水連通，最終引排入下游河道。

地表排洪渠導(dǎo)排劉家溝設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)洪水，排洪渠始于974 m平臺南端楊家嫣村，過974 m平臺，經(jīng)1號、2號陡坡到940 m平臺，過940 m平臺，經(jīng)擋土壩下游壩坡臺階陡槽，消能后接下游河道，進(jìn)入山西華興鋁業(yè)有限公司排洪渠，其間支溝渠道洪水匯入主渠。

3.3 攔擋工程

本工程位于黃土梁峁地帶，山梁兩側(cè)大型沖溝，縱橫切割，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，工程棄土量巨大。受地形條件、施工運(yùn)距、經(jīng)濟(jì)性等因素的限制，工程棄土場布置在廠區(qū)東側(cè)劉家溝溝道內(nèi)，降雨時，溝道周圍坡面存在匯水問題。根據(jù)水土保持規(guī)程、規(guī)范，要求溝道型棄渣場的下游出口處，需設(shè)置攔擋工程，否則會發(fā)生嚴(yán)重的水土流失。

選定在下游廠址斷面處建一座均質(zhì)擋土壩，壩軸線長501 m，最大壩高70 m，上游壩坡1∶2，下游壩坡1∶3，下游壩坡每隔10 m高程設(shè)置一條寬2 m馬道，在壩高910 m高程設(shè)寬8 m馬道，馬道及壩坡邊溝設(shè)縱橫向排水溝，壩體緊鄰廠區(qū)東西側(cè)一定區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)夯反壓滑坡體，其它區(qū)域壩體填筑土方壓實(shí)系數(shù)不小于0.97。下游壩坡設(shè)置格構(gòu)護(hù)坡，壩腳處設(shè)置干砌石護(hù)坡防止水流回水沖刷。

4 主要建筑物設(shè)計

4.1 地下排水盲溝設(shè)計

劉家溝主溝及支溝溝道底部或溝道側(cè)面有出水點(diǎn)出露，分布極不均勻，季節(jié)性變化幅度大，全部在回填高程以下，滲水流量大小不一，最大的滲水量約為0.8～1 L/s，為防止?jié)B水與填土產(chǎn)生接觸沖刷，故設(shè)計在溝底鋪設(shè)一條連續(xù)的濾料通道（即排水盲溝），將溝內(nèi)的滲水有組織地引入到下游河道。

主溝排水盲溝為梯形斷面，邊坡為1∶1，底寬2.0 m，高2.0 m。填筑方案為：在開挖斷面先鋪設(shè)一層反濾土工布，在土工布內(nèi)側(cè)鋪設(shè)一層厚20 cm粒徑為2～20 mm砂礫石，然后填筑粒徑為20～60 mm的碎石，上部覆蓋反濾土工布。支溝排水盲溝斷面型式同主溝，底寬1.2m，高1.2 m，填筑方案與主溝相同。

為了防止盲溝通道堵塞，影響上部建筑物功能，在主支溝、盲溝交匯處設(shè)排水井，也兼作觀測和排水用。

4.2 地表排洪渠設(shè)計

4.2.1 排洪渠斷面設(shè)計

排洪渠以挖方渠道為主，渠道土質(zhì)為黏土、粉質(zhì)黏土，水深小于2 m。根據(jù)以上條件和《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50288-99），確定排洪渠邊坡系數(shù)為1∶1，選定設(shè)計縱坡為1/300，結(jié)構(gòu)型式為漿砌石外包混凝土襯砌的梯形斷面結(jié)構(gòu)。

根據(jù)設(shè)計流量Q、縱坡i和邊坡系數(shù)m，確定排洪渠的底寬b 和水深h，渠道Q0+000.00～Q1+152.54、Q1+694.95～Q3+155.12斷面尺寸見表2。

表2 排洪渠（主渠）斷面參數(shù)表

考慮渠道基礎(chǔ)位于填土上，故設(shè)計要求渠道基礎(chǔ)回填土壓實(shí)度不小于0.97，同時采用渠道下方鋪設(shè)0.3 m厚3∶7灰土墊層，排洪渠每10 m設(shè)一道沉降縫，以消除基礎(chǔ)沉降對渠道的影響。

各支溝內(nèi)洪水流量不同，支渠排洪渠設(shè)計方法同主渠，確定了設(shè)計底坡為1/300，底寬2.0～3 m，渠深1.5～2 m，邊坡為1∶1的梯形漿砌石外包混凝土結(jié)構(gòu)。

4.2.2 消能建筑物設(shè)計

陡坡。

渠道Q1+452.54～Q1+694.95，經(jīng)974m平臺到940 m平臺，落差27.5 m，設(shè)計兩級陡坡，即1號、2號陡坡。

其中1號陡坡是由陡坡、消力池和跌水組成的長89 m的鋼筋混凝土矩形結(jié)構(gòu)。1號陡坡消力池接跌水，總落差17.5 m，其中陡坡段跌差10 m，跌水跌差7.5 m，陡坡段設(shè)計底坡為1/5，底寬10 m，渠深3 m；消力池長19 m，底寬10 m，墻高5 m，消力坎高1.9 m；消力池下游與跌水相接，跌水采用鋼筋混凝土扶壁式結(jié)構(gòu)，其中墻高4.9～13.5 m，扶壁厚0.6 m，間距3 m。

2號陡坡是由陡坡和消力池組成的長99.71 m的鋼筋混凝土矩形結(jié)構(gòu)，總跌差10.0 m，陡坡段設(shè)計參數(shù)同1號陡坡。消力池長20 m，底寬10 m，墻高5 m，消力坎高2.25 m。

1號、2號陡坡間以坡度i為0的鋼筋混凝土矩形明渠彎道段連接，彎道曲率半徑為60 m，長度54 m，底寬10 m，墻高2.5 m。

臺階陡槽排洪渠。

渠道Q3+155.12～Q3+385.86為臺階陡槽排洪渠，斷面為矩形，長度230 m，寬度14 m，單寬流量5.73 m3/s，落差70 m，臺階陡槽排洪渠高長比為1∶3，與940 m平臺邊坡坡度保持一致，流態(tài)設(shè)計為滑行流，經(jīng)水力學(xué)模型試驗(yàn)后選定臺階高1 m，臺階長3 m的臺階陡槽消能型式。

渠道水流經(jīng)臺階消能后，底部水流受到臺階作用，形成穩(wěn)定的水流漩渦，實(shí)驗(yàn)得到臺階陡槽渠道最大流速為11 m/s，比原陡坡消力池渠道設(shè)計方案中最大流速15 m/s有所降低，消能效率可觀，實(shí)現(xiàn)了功能與經(jīng)濟(jì)雙重目標(biāo)。

消能井。

消能井采用M 7.5漿砌石外包鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，長10 m，寬4～8 m，高為3.5～4.0 m。消能井主要起調(diào)節(jié)水流流態(tài)，使水流平順銜接的作用。

4.2.3 下游段渠道及防護(hù)

渠道Q3+385.86～Q3+425.86為下游鋼筋混凝土矩形渠道，寬度8 m，高度2.7 m。Q3+425.86以下為長18 m，寬25 m，厚1.0 m鉛絲石籠海漫段，海漫后通過原河道順接至下游山西華興鋁業(yè)有限公司防洪渠相接，原河道局部險工段設(shè)計邊坡防護(hù)，防止水流沖刷。

5 結(jié)論

劉家溝溝道東側(cè)坡度陡峭，西側(cè)是廠區(qū)邊坡，在避免高邊坡開挖和嚴(yán)禁侵占廠區(qū)東側(cè)征地紅線以外土地的同時，排洪渠布置于原狀土上是不現(xiàn)實(shí)的，故本工程排洪渠布置于劉家溝棄土場東側(cè)坡腳填方上，考慮填土的不均勻沉降問題，設(shè)計要求了填土的壓實(shí)度，并對渠道進(jìn)行分縫，同時也選擇了典型斷面布設(shè)沉降監(jiān)測儀器，及時提供精確數(shù)據(jù)，為工程安全運(yùn)行提供決策依據(jù)。

廠址防洪工程設(shè)計，以泄洪、保安、防治為重點(diǎn)，確保棄土場穩(wěn)定，采取“先擋后棄，以排為主，上排下導(dǎo)，排、攔、截、護(hù)、墾相結(jié)合”的綜合防治體系。設(shè)計排洪渠對溝道洪水排泄，鋪設(shè)排水盲溝對溝道滲水排導(dǎo)，布設(shè)擋土壩對棄土場堆土進(jìn)行攔擋，修建截排水溝，對棄土場周邊來水和坡面匯水進(jìn)行引排，用格構(gòu)護(hù)坡對擋土壩坡面防護(hù)并進(jìn)行整治，最終實(shí)現(xiàn)工程安全和生態(tài)、經(jīng)濟(jì)效益雙贏的目標(biāo)。